人工冻结温度场特性研究及导热系数反分析

摘要

本文在一开始对一些有关于冻结施工的理论进行了系统的阐述，例如人工冻结法、冻结温度场、冻土导热系数及反问题的一些相关理论。然后运用以上理论，结合某某地铁具体的施工方案，对该地铁的冻结温度场进行了实测分析。同时取该地铁隧道非常典型的5.4m淤泥质粉细砂土层，对该土层进行试验，获取改土层的相关参数。在实验的基础上，对土体的导热系数和土体分析进行了研究，并采用了目前国内外主流非常有限元分析软件ANSYS，利用数值模拟方法对冻结温度场进行模拟和分析。最后对地铁冻结施工中的冻结壁的发展做出了预测并给出了一些合理化的建议。
　　导热系数是研究温度场的一个重要参数，对导热系数进行了实验，得出了导热系数与干密度、含水率有关的结论，干密度、含水率是影响最大的因素，人工冻结淤泥质粉细砂-10℃时的导热系数平均增长率约为每0.1g/cm3增长0.06W/m·K，人工冻结淤泥质粉细砂-10℃时导热系数的平均增长率约为每增长5％的含水率导热系数增长0.04W/m·K。在使用最小二乘理论的基础上，试验设置几个导热系数，并对其进行分析和优化，最后的导热系数是对应于最低目标函数值为30.77，此时对应的导热系数为1.35W/m·K，导热系数对应的温度场模拟结果最接近实测值。然后将此导热系数下的温度模拟值与实测温度值进行比较，得出四个测温孔的温度模拟值与实测值相差不大，这就意味着试验的真实性和反分析的可靠性。在文章最后运用ANSYS软件对5.4m层位的土体进行温度、冻结壁厚度进行了模拟，并在该基础上做出了预测5.4m土层处的交圈时间预测为第60天。
　　本文的研究成果为冻土的反分析提供了新的方法，也为地下冻结法施工提供了经验参考，具有重要的研究意义和工程价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 冻结温度场的研究现状

1．2．2 岩土反分析的研究现状

1．3 课题研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容及方法

1．3．2 技术路线

2 冻结温度场的基本理论

2．1 温度场的基本概述

2．2 冻土的热物理参数

2．3 温度场变化过程的数学模型

2．3．1 积极冻结阶段

2．3．2 维护冻结阶段

2．3．3 自然解冻阶段

3 人工冻土的导热系数试验

3．1 概述

3．2 试验研究的内容

3．2．1 常规土工试验

3．2．2 导热系数试验

3．3 试验的结果和分析

3．3．1 试验结果

3．3．2 试验分析

3．3 本章小结

4 冻结温度场实测分析

4．1 工程概况

4．1．1 地质条件

4．1．2 气候条件

4．1．3 地下水位

4．2 实测温度场分析

4．2．1．冻结盐水温度实测变化

4．2．2 测温孔温度实测变化

4．3 本章小结

5 冻土的导热系数反分析和温度场数值模拟

5．1 概述

5．2 本文导热系数反分析的方法

5．2．1 导热系数反分析的思路

5．2．2 导热反分析数学模型

5．3 导热系数反分析中的数值模拟

5．3．1 ANSYS软件介绍

5．3．2 建模、划分网格

5．3．3 反分析计算结果

5．3．4 冻结温度场的分析与预测

5．4 本章小结

6 主要结论和展望

6．1 主要结论

6．2 本文展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果